143570, Московская область, городской округ Истра, село Кучи, квартал 0080319, здание 147784, помещение 2 пн-пт, с 10-00 до 18-00
+7(950)670-77-88
Обратный звонок

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ БЕТОНОВ, ПРИГОТОВЛЕННЫХ НА ОСНОВЕ СУХИХ СМЕСЕЙ

  • Главная
  • Новости
  • ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ БЕТОНОВ, ПРИГОТОВЛЕННЫХ НА ОСНОВЕ СУХИХ СМЕСЕЙ

Добшиц Л.М., д. т. н., проф.,

Николаева А. А., аспирант, Российский университет транспорта (МИИТ)

 

Аннотация

В настоящей работе были разработаны новые добавки, повышающие морозостойкость бетонов и не оказывающие негативное влияние на другие свойства бетона. В качестве добавок для изготовления высоко морозостойких бетонов на основе сухих смесей предложены и исследованы вещества, имеющие в своей структуре большое количество условно-замкнутых пор. Такие вещества представлены побочными продуктами деревообработки – древесные опилки и мука, а также легкие мелкопористые пенокерамические сферические гранулы.

 

Введение

Применение сухих смесей для изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций наряду с известными преимуществами имеют существенные недостатки, которые не позволяют использовать их для высокопрочных и высоко долговечных сооружений. В частности, невозможно точно установить величину водоцементного отношения, которое является одним из основных факторов, определяющих такие свойства бетона, как прочность, морозостойкость и водонепроницаемость.

 

Долговечность бетонных конструкций и сооружений, особенно эксплуатирующихся в суровых климатических условиях, в основном, определяется их морозостойкостью [1]. Как известно, основным фактором, определяющим морозостойкость бетонов как капиллярно-пористых тел, имеющих интегральные ПИ (открытые) и условно-замкнутые ПУЗ поры, является соотношение объёма этих пор, определяемое критерием морозостойкости бетонов КМРЗ [2]. Чем больше это соотношение, тем выше морозостойкость бетона [3]. Критерий морозостойкости является функцией следующих факторов: степени гидратации цемента, водоцементного отношения и степени уплотнения бетонных смесей.

 

При использовании сухих смесей, приготовить высоко морозостойкий бетон весьма затруднительно, т.к. смеси имеют неизменный состав (соотношение компонентов) и определённое качество используемых материалов. В связи с этим, основным способом получения высоко морозостойких бетонов является увеличение объёма условно-замкнутых пор бетона (ПУЗ), которое достигается введением в состав бетонной смеси, специальных воздухововлекающих добавок. Такие добавки позволяют существенно повысить морозостойкость бетонов, однако, увеличивая общую пористость, они несколько снижают конечную прочность затвердевшего бетона.

 

  1. Принцип работы добавок

В связи с этим актуальным является разработка новых добавок, повышающих морозостойкость бетонов и не оказывающих негативное влияние на другие свойства бетона. Нами предложены и исследованы в качестве добавок, повышающих морозостойкость бетонов на основе сухих смесей  вещества,  которые изначально имеют в своей структуре большое количество условно-замкнутых пор.

 

Такими веществами могут являться побочные продукты деревообработки – древесные опилки и мука, а также легкие мелкопористые пенокерамические сферические гранулы.

 

Влияние древесных опилок и древесной муки заключается в следующем. Строение стенок клеток древесины схематически можно представить следующим образом (рис. 1.) Такая структура целлюлозы определяет присущие ей свойства набухания и усушки, когда в эти образования путём гигроскопии и капиллярного подсоса поступает влага (набухание) или испаряется из неё (усушка) [4, 5]. Это объясняет характер изменения объёма и линейных размеров древесины при её водонасыщении и высушивании (рис. 2.). В начале увлажнения древесины её объём увеличивается до, так называемого, «предела гигроскопичности» или «точки насыщения волокон», т.к. вначале вода поступает в стенки клеток, состоящих из целлюлозы, и они набухают. Волокна целлюлозы не имеют по своей длине сплошной ровной структуры, а периодически образуют своеобразные завихрения, ответвления и другие подобные образования.

 

В данной работе принимали участие магистры кафедры РУТ (МИИТ) «Строительные материалы и технологии». Сысоев И.Р. участвовал в серии экспериментов с древесными опилками, Яшина А.С. принимала  участие в работе с использованием легких керамических гранул.

Рис.1 Строение стенки клетки древесины.

Рис.2 Влияние влажности на изменение объема (линейных размеров) древесины при ее водонасыщении.

Такое увеличение объёма древесины продолжается до полного, максимально возможного насыщения волокон влагой. Дальнейшее повышение влажности не вызывает увеличение её объёма в связи с тем, что стенки клеток максимально водонасыщены, и влага, поступая в древесину, заполняет полости клеток и межклеточное пространство, не оказывая влияния на изменение её объёма.

 

При смешивании сухой бетонной смеси с водой, введённые в качестве добавок побочные продукты деревообработки начнут поглощать  влагу и увеличиваться в объёме, образуя поры, заполненные водой. После начала гидратации цемента и схватывания бетонной смеси, начинается твердение бетона, сопровождающееся переходом большей части воды в связанное состояние в структуре кристаллогидратов. При этом часть воды испаряется через поверхность бетона и её может не хватать для продолжающейся гидратации цемента. Находящаяся в целлюлозе вода будет служить источником подпитки процессов гидратации цемента. Это, во-первых, будет способствовать более полной его гидратации и повышению конечной прочности бетона. И, во-вторых, обезвоживание пор в целлюлозе переводит их из водонасыщенных в разряд условно замкнутых пор, тем самым, создавая резерв объёма, в который может отжиматься вода, находящаяся в бетоне, при его замораживании, повышая его морозостойкость.

 

Принцип работы керамических гранул с целью повышения морозостойкости бетонов заключается в следующем. На начальном этапе затворения бетонной смеси открытые (интегральные) поры гранулы (ПИ) будут впитывать в себя воду, а затем в процессе твердения бетона, будут отдавать воду ещё непрогидротировавшим частицам цемента, способствуя, тем самым, увеличению степени гидратации цемента. При этом, они сами будут обезвоживаться и превращаться в условно замкнутые поры, повышая морозостойкость бетона. Изначально условно замкнутые поры гранул (ПУЗ) будут напрямую выполнять функцию воздушных резервных пор, в которые сможет отжиматься часть жидкой фазы бетона при его замораживании. При этом будет обеспечиваться высокая морозостойкость бетона, а также увеличиваться прочность твердеющего бетона, что компенсирует её снижение от увеличения общей пористости при введении добавки гранул.

 

  1. Исследование влияния добавки побочных продуктов деревообработки

Для исследования влияния добавки побочных продуктов деревообработки использовались следующие материалы: портландцемент Белгородского завода марки М500, имеющий следующие свойства: нормальная густота 28%, насыпная плотность 1,10 г/см3, плотность зёрен 3,10 г/см3; кварцевый песок с плотностью зёрен 2,55 г/см3, насыпной плотностью 1,52 г/см3; гранитный щебень Павловского карьера фракции 5…10, имеющий  насыпную  плотность 1,55 г/см3, плотность зёрен 2,60 г/см3, а также добавка пластификатор С-3, производства ООО «СУПЕРПЛАСТ». Для сравнения получаемых результатов исследовалось влияние воздухововлекающей добавки СНВ (смола, нейтрализованная воздухововлекающая), производства ООО "Тихвинская" по ТУ 13-0281074-75-98. Все используемые материалы удовлетворяют требованиям соответствующих стандартов.

 

Экспериментальные исследования проводились на тяжёлых бетонах состава Ц:П:Щ = 1: 2,3: 3,5 , при В/Ц=0,45 и одинаковой удобоукладываемости бетонных смесей, равной П3. (10…15 см осадки стандартного конуса).

 

Было изготовлено четыре серии образцов-кубов, размером 10х10х10. Первая серия – контрольные образцы без добавок. Вторая серия с воздухововлекающей добавкой СНВ в количества 0,05% массы цемента. Третья - с комплексной добавкой (побочные продукты деревообработки в количестве 5,0% массы цемента и добавка С-3 в количестве 0,5 %). Добавка С-3 вводилась для получения требуемой удобоукладываемости бетонной смеси. Четвёртая - с добавкой С-3 в количестве 0,5 %. Эта серия бетонных образцов исследовалась для определения влияния добавки С-3 в комплексной добавке (побочные продукты деревообработки а и добавка С-3). После изготовления  образцы твердели 28 суток в камере нормального твердения, а затем испытывались на морозостойкость по  ГОСТ 10060 2012. Полученные результаты приведены в табл.1. Полученные результаты показывают, что бетоны без добавок имеют морозостойкость F1100. Бетоны 2 серии с воздухововлекающей добавкой СНВ имеют морозостойкость F1300. Бетоны 3 серии с разработанной комплексной добавкой – F1400, а бетоны с добавкой С-3 имеют морозостойкость   F1 300.

 

Таблица 1. Морозостойкость бетонов.

№ серии Прочность образцов, % после числа циклов.
100 200 300 400
1 100 80,0 --- ---
2 100 100 100 90,0
3 100 100 100 100,0
4 100 100 70 ---

 

Таким образом установлено, что комплексная добавка (побочные продукты деревообработки совместно с С-3) позволяет существенно (на 3 марки) повысить морозостойкость бетонов. При этом  увеличение морозостойкости произошло на одну марку больше, чем при использовании широко применяемой добавки СНВ. Основную роль в повышении морозостойкости играет добавка побочных продуктов деревообработки, т.к. введение только одной добавки С-3 позволило повысить морозостойкость только на одну марку.

 

  1. Исследование влияния добавки легких мелкопористых пенокерамических сферических гранул.

Исследование влияния легких мелкопористых пенокерамических сферических гранул проводилось на гранулах размером от 0,04 до 5 мм, выпускаемых фирмой Kerwood® в качестве сыпучего материала для устройства теплоизоляции. Такие гранулы имеют общую пористость 45…55%, при этом соотношение открытой (интегральной) пористости ПИ к условно замкнутой ПУЗ составляет для разных фракций от 0,3 до 0,4.

 

Для исследования влияния добавки мелкопористых пенокерамических сферических гранул использовались следующие материалы: портландцемент Мальцовского завода марки ПЦ500 Д0-Н, имеющий следующие свойства: нормальная густота 27%, насыпная плотность 1,24 г/см3, плотность зёрен 3,10 г/см3; песок  Игнатовского карьера  с плотностью зёрен 2,6 г/см3, насыпной плотностью 1,53 г/см3, пустотность 41,2%; гранитный щебень Карельского карьера фракции 3…10, имеющий  насыпную  плотность 2,5 г/см3, плотность зёрен 2, 60 г/см3,пустотность 48,1%, порода интрузивная, слабых пород нет. Добавка: Мелкопористые пенокерамические сферические гранулы Kerwood® заданного размера (от 0,04 до 5 мм). Химический состав: SiO2-68,78%, Al2O-8,3%, (Na2O+K20)-14,58%, Fe2O3-3,89%. Все используемые материалы удовлетворяют требованиям соответствующих стандартов.

 

Экспериментальные исследования проводились в заводской строительной лаборатории МТФ – завод «МОКОН» филиала ПАО «МОСТОТРЕСТ» на тяжёлых бетонах состава Ц:П:Щ = 1: 2,3: 2,9 , при В/Ц=0,5 и одинаковой удобоукладываемости бетонных смесей, равной П0. Состав бетона на 1м3: Ц= 350кг, П= 794кг, Ц= 1030кг, В= 175кг, добавка (пенокерамические гранулы) = 60 кг, гиперпластификатор Sika ViscoCrete-20 GOLD =1,75кг.

 

Было изготовлено четыре серии образцов-кубов. Первая серия – контрольные образцы без добавок. Вторая серия - с добавлением мелкопористых пенокерамических сферических гранул фракцией Ø2,5-5,0мм. Третья серия – с добавлением мелкопористых пенокерамических сферических гранул фракцией Ø0,1-0,6мм. Четвёртая серия - с добавлением мелкопористых пенокерамических сферических гранул фракцией Ø0,04-0,12мм.

 

После изготовления образцы твердели 28 суток в камере нормального твердения, после чего испытывались на сжатие и на морозостойкость. Определение морозостойкости осуществлялось по ГОСТ 10060 2012. Результаты определения морозостойкости бетонов контрольного состава и составов с добавками приведены в табл.2.

 

Таблица 2. Морозостойкость бетонов.

№ серии Прочность образцов, % после числа циклов.
100 200 300
1 100 70,0 ---
2 100 100 87
3 100 100 95
4 100 100 100

 

Полученные результаты показывают, что бетоны без добавок имеют морозостойкость F1100. Бетоны с добавками мелкопористых пенокерамических сферических гранул имеют морозостойкость не менее F 1300.

 

При этом с уменьшением размера фракций морозостойкость бетонов повышается. Это явление обусловлено, по-видимому, тем, что при одинаковом количестве (по массе) вводимой добавки, количество отдельных гранул увеличивается с уменьшением их размера. Следовательно, уменьшается, так называемый,   «эффективный радиус» (по Пауэрсу), т.е. расстояние, которое необходимо пройти жидкости по порам и капиллярам цементного камня, до условно замкнутой поры. Таким образом, снижается гидравлическое и гидростатическое давления на стенки пор цементного камня бетона при перемещении жидкости, возникающее от давления на неё растущих кристаллов льда при замораживании бетонов.

 

Таким образом установлено, что добавка мелкопористых пенокерамических сферических гранул позволяет существенно (минимум на 2 марки) повысить морозостойкость бетонов. При этом c уменьшением размера фракций морозостойкость бетонов повышается.

 

Основные выводы

  1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования побочных продуктов деревообработки и легких мелкопористых пенокерамических сферических гранул в качестве добавок, повышающих морозостойкость бетонов.
  2. Полученные результаты показывают, что разработанная комплексная добавка (побочные продукты деревообработки совместно с С-3) позволяет существенно (на 3 марки) повысить морозостойкость бетонов.
  3. Анализ полученных результатов показывает, что предложенная добавка мелкопористых пенокерамических сферических гранул позволяет существенно (минимум на 2 марки) повысить морозостойкость бетонов.
  4. Установлено, что с уменьшением размера исследованных фракций мелкопористых пенокерамических сферических гранул морозостойкость бетонов повышается.

 

Список использованной литературы

  1. Добшиц Л.М. Долговечность бетона и пути её повышения/ Наука – строительному производству/Сборник научных трудов (к 60-летию института)/под общей редакцией Коровякова В.Ф. – М.: НИИМосстрой, 2016. – С.214…229.
  2. Шейкин А.Е., Добшиц Л.М. Цементные бетоны высокой морозостойкости. -Л.: Стройиздат. -1989. -128 с.
  3. Добшиц Л.М. Пути получения морозостойких бетонов транспортных сооружений //Ж.-д. транспорт. Сер. "Строительство. Проектирование": ЭИУ ЦНИИТЭИ МПС. -2000. -Вып. 1.- 41 е.; 4 ил.
  4. Добшиц Л.М. Долговечность бетона и пути её повышения/ Наука – строительному производству/Сборник научных трудов (к 60-летию института)/под общей редакцией Коровякова В.Ф. – М.: НИИМосстрой, 2016. – С.214…229.
  5. Перепелкин К.Е. Структурная обусловленность механических свойств высоко ориентированных волокон. Обз. Информация. М. : НИИ-ТЭХим, 1970. 70 с.
  6. Перепелкин К.Е. Структура и свойства волокон. М.: Химия, 1985. Целлюлоза и ее производные / Под ред. Байклза Н., Сегала Л. М.: Мир, т. 1, 1974.- 500 е., т.2, 1974 - 512 с.
Новости